ZnO/Zn2+物种与Br?nsted/Lewis酸位协同调控聚乙烯催化芳构化的机制研究

针对废塑料资源化难题，研究人员通过金属改性分子筛催化剂（1.0Zn/MOR40）实现低密度聚乙烯（LDPE）高效催化裂解-芳构化，揭示Zn2+物种与Br?nsted/Lewis酸位（BAS/LAS）比例协同作用机制，在500℃获得45.71%芳烃选择性，为废塑料高值化转化提供新策略。

　　

塑料污染已成为全球环境危机的缩影——每年约3.6亿吨聚乙烯（PE）被生产，其中大部分最终成为难以降解的废弃物。传统填埋和焚烧处理不仅造成资源浪费，还会释放大量温室气体。更令人担忧的是，当前化学回收技术对聚乙烯的转化效率不足0.1%，且高温热解过程能耗巨大。面对这一困境，中国科学院（根据CAS项目资助信息推断）的研究团队在《Journal of Environmental Management》发表突破性研究，通过设计金属-酸双功能催化剂，成功实现聚乙烯低温高效转化为高附加值芳烃。

研究团队采用等体积浸渍法制备Zn/MOR系列催化剂，结合X射线衍射（XRD）、NH₃-TPD（程序升温脱附）和Py-IR（吡啶红外光谱）表征酸位分布，通过固定床反应器评估LDPE催化性能，并采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析产物组成。

催化剂表征
XRD证实金属负载未破坏MOR分子筛骨架结构（图1a）。NH₃-TPD显示Zn引入显著增加弱酸位比例（图1b），而Py-IR证明[ZnOH]⁺物种的形成与Si/Al比呈正相关（图1c）。H₂-TPR揭示Zn物种比Fe/Pt更易还原（图1d），这与其优异的脱氢活性直接相关。

反应性能优化
在1.0Zn/MOR40催化剂作用下，500℃时芳烃选择性达45.71%，其中单环芳烃（MAHs）占36.04%。研究首次发现BAS/LAS比例与[ZnOH]⁺浓度存在最优区间：过低会导致反应物脱氢不足，过高则引发过度缩合生成多环芳烃（PAHs）。通过角鲨烷和三十烷模型化合物实验，证实适度的BAS对烯烃中间体环化至关重要。

机制阐释
Zn²⁺通过促进β-断裂（β-scission）加速长链烷烃裂解，同时[ZnOH]⁺作为氢转移活性中心，与分子筛酸位协同完成脱氢-环化-芳构化级联反应。值得注意的是，当BAS/LAS<0.8时，PAHs选择性骤增，这归因于酸位不足导致的缩聚反应失控。

该研究不仅阐明金属-酸位协同作用机制，更开创性地提出"酸位平衡调控"策略——通过精确控制BAS/LAS比例和[ZnOH]⁺浓度，实现芳构化反应路径的精准导向。相比传统热解技术，该催化体系使反应温度降低约200℃，芳烃产率提升3倍，为废塑料"变油为宝"提供了工业化应用的理论基础。特别值得注意的是，研究中发现的金属-酸位拮抗效应（如过量Zn导致PAHs增加）为后续催化剂设计提供了重要警示，这一发现对生物质催化转化等领域同样具有借鉴价值。